Stabilité et structure électrique des plasmas électronégatifs
LPTP (Ec. Polytechnique). Coll: P. Chabert, C. Corr, J. Guillon, A.J. Lichtenberg, A. Meige, J.-L. Raimbault.
Problématique générale
Plasma d'Oxygène - N Plihon |
Le succés de l’industrie microélectronique repose largement sur la
capacité de façonner à l’échelle de la dizaine de nanomètres les
matériaux utilisés. Ces opérations de gravure des matériaux sont réalisées en
phase plasma (pour les dernières générations de réalisations
microélectroniques, plus de 50% des opérations de structuration des
semiconducteurs sont assurées dans des réacteursplasma très basse pression -
de l'ordre de 1 Pa - soit un millionnième de la pression atmosphérique). La
gravure de motifs submicronique sur un substrat de silicium fait appel à des
gaz halogénés (par ex. le silicium est gravé par creation du composé volatil
SiF4). Les gaz précurseurs utilisés (en particulier SF6) sont très fortement
électronégatifs. Les plasmas ainsi créés contiennent une fraction
significative d’ions négatifs (parfois jusqu’à quelques dizaines
de fois plus d’ions négatifs que d’électrons). La présence
d’ions négatifs modifie fortement la structure du plasma et sa
stabilité (la différence de masse entre les deux espèces chargées
négativement - électrons et ions négatifs - induit une dynamique riche . La
compréhension des plasmas électronégatifs (qui contiennent une forte fraction
d'ions négatifs) est ainsi un enjeu industriel car l'uniformité et la
stabilité du plasma sont cruciales pour la reproductibilité des procédés.
L'étude de ces plasmas est aussi un problème de physique générale, puisque
les plasmas astrophysiques sont des plasmas complexes ( électrons, ions
positifs, ions négatifs, poussières).
Structure des plasmas électronégatifs
Il est maintenant bien établi [1,2] que lorsque un plasma basse pression
contient une fraction significative d'ions négatifs, une stratification des
espèces chargées se produit:
- au bord le plasma ne contient pas d'ions négatifs (plasma électrons - ions
positifs)
- au centre le plasma contient majoritairement des ions positifs et des ions
négatifs
Nous avons montré que lorsque le plasma est
en forte expansion, une structure de potentiel non linéaire se développe et
conduit à la stratification du plasma. Dans notre dispositif expérimental le
plasma est créé dans la source et s'expand dans la chambre de diffusion
(ci-contre). Une double couche électrique (gaine interne au plasma) se
développe à l'interface et sépare
- dans la source: un plasma haute densité, haute température électronique,
électropositif
- dans la chambre de diffusion: un plasma faible densité, faible température
électronique, électronégatif.
Cette structuration est opposée à la stratification classique [1,2].
Cette double couche est statique pour de faibles fractions d'ions négatifs
et devient propagative pour les fortes fractions d'ions négatifs.
Les propriétés physiques de la double couche
propagative sont similaires à celles de la double couche statique (à gauche
est reproduite l'évolution spatio-temporelle du potentiel plasma montrant la
double propagative). Les transitions entre ces différentes situations font
apparaitre de fortes activités acoustiques.
Stabilité des plasmas électronégatifs
Outre l'existence de structures de potentiels complexes, les plasmas électronégatifs sont aussi soumis à des régimes instables. Suite aux travaux effectués dans des décharges inductives [3,4], nous avons poursuivi l'étude des transitions de mode de couplage de l'énergie dans des plasmas électronégatifs. En présence de champ magnétique statique, trois modes de couplage de l'énergie électrique au plasma existent: (i) à faible densité électronique, les électrons sont accélérés dans un champ électrostatique (mode capacitif), (ii) à densité électronique modérée, les électrons sont accélérés dans un champ électromagnétique (mode inductif), (iii) à forte densité électronique, les électrons sont accélérés par un couplage avec l'onde hélicon excitée par l'antenne. La transition capacitif/inductif peut présenter des oscillations de relaxation à travers une bifurcation de Hopf pour de forte fraction d'ions négatifs. En revanche, nous navons pas observé de transition inductif/hélicon instable. Le champ magnétique statique asuure un confinement des espèces chargées et conduit à la formation d'une colonne centrale sans ions négatifs: les conditions pour l'obtention d'oscillations de relaxation inductif/hélicon ne sont pas assurées.
Publications
- N. Plihon, C. S. Corr et P. Chabert.
Double layer formation in the expanding region of an inductively coupled electronegative plasma.
Appl. Phys. Lett.,86, 091501 (2005) [3 pages] - N. Plihon, C. S. Corr, P. Chabert et J.L. Raimbault.
Periodic formation and propagation of double layers in the expanding chamber of an inductive discharge operating in Ar/SF6 mixtures.
J. Appl. Phys., 98, 023306 (2005) [7 pages] - C. S. Corr, N. Plihon et P. Chabert.
Transition from unstable electrostatic confinement to stable magnetic confinement in a helicon reactor operating with Ar/SF6 gas mixtures.
J. Appl. Phys. , 99, 103302 (2006) [6 pages] - P. Chabert., N. Plihon, C. S. Corr, J.L. Raimbault et A.J
Lichtenberg.
Equilibrium model for two low-pressure electronegative plasmas connected by a double layer.
Phys. Plasmas, 13, 093504 (2006) [9 pages] - N. Plihon, P. Chabert. et C. S. Corr.
Experimental investigation of double layers in expanding plasmas.
Phys. Plasmas, 14, 013506 (2007) [16 pages]. - A. Meige, N. Plihon, G. J. M. Hagelaar and J.-P. Boeuf, P. Chabert et
R. W. Boswell
Propagating double layers in electronegative plasmas.
Phys. Plasmas, 14, 053508 (2007) [11 pages].